特許 6644377 レーザ加工用システム、並びにレーザ焦点のサイズ及び位置を調整する方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6644377

(24)【登録日】2020年1月10日

(45)【発行日】2020年2月12日

(54)【発明の名称】レーザ加工用システム、並びにレーザ焦点のサイズ及び位置を調整する方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 26/046 20140101AFI20200130BHJP

   B23K 26/082 20140101ALI20200130BHJP

   B23K 26/064 20140101ALI20200130BHJP

   G02B 15/15 20060101ALI20200130BHJP

   G02B 15/163 20060101ALI20200130BHJP

【ＦＩ】

   B23K26/046

   B23K26/082

   B23K26/064 A

   G02B15/15

   G02B15/163

【請求項の数】18

【全頁数】21

(21)【出願番号】特願2017-561378(P2017-561378)

(86)(22)【出願日】2016年5月17日

(65)【公表番号】特表2018-516756(P2018-516756A)

(43)【公表日】2018年6月28日

(86)【国際出願番号】EP2016061036

(87)【国際公開番号】WO2016188803

(87)【国際公開日】20161201

【審査請求日】2018年2月2日

(31)【優先権主張番号】102015108248.9

(32)【優先日】2015年5月26日

(33)【優先権主張国】DE

(73)【特許権者】

【識別番号】516373764

【氏名又は名称】スキャンラボ ゲーエムベーハー

(74)【代理人】

【識別番号】100104765

【弁理士】

【氏名又は名称】江上 達夫

(74)【代理人】

【識別番号】100107331

【弁理士】

【氏名又は名称】中村 聡延

(72)【発明者】

【氏名】マーティン バレンティン

(72)【発明者】

【氏名】マーティン ベッカー

(72)【発明者】

【氏名】ゼバスティアン トゥニッヒ

【審査官】 竹下 和志

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００６−２１８４８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−１８８５１８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２３Ｋ ２６／００ − ２６／７０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

全コリメート焦点距離（ｆＫ）を有しており、発散ビーム（Ｄ）用のビーム供給源（Ｚ）と、正の焦点距離（ｆ１）を有する第１光学装置（Ｌ１）と、負の焦点距離（ｆ２）を有する第２光学装置（Ｌ２）と、を備えて構成されており、前記発散ビーム（Ｄ）が、先ず前記第１光学装置（Ｌ１）を通過し、その後、前記第２光学装置（Ｌ２）を通過して、前記第２光学装置（Ｌ２）から少なくとも実質的コリメート状態で離れる、コリメート光学系（Ｋ）と、
正の焦点距離（ｆＯ）を有する第３光学装置（Ｏ）であって、前記コリメート光学系（Ｋ）の下流側に配置され、前記コリメート光学系（Ｋ）から少なくとも実質的コリメート状態で離れる前記ビーム（Ｐ）を焦点（Ｆ）に合わせる第３光学装置（Ｏ）と、
前記第２光学装置（Ｌ２）をビーム伝搬方向（Ｒ）に沿って移動させる調整素子（Ａ２）と、
を備え、
前記第２光学装置（Ｌ２）の画像側主面と前記第３光学装置（Ｏ）の対象物側主面との間の平均ビーム行路（ｄ２）は、前記第２光学装置（Ｌ２）及び前記第３光学装置（Ｏ）が望遠鏡状の光学配置を形成するように配列されることによって、前記調整素子（Ａ２）を用いて前記第２光学装置（Ｌ２）を移動させる際に前記焦点（Ｆ）のサイズ（ｇ）が実質的に一定であるように選択され、
前記ビーム供給源（Ｚ）と前記第３光学装置（Ｏ）の画像側焦点面（Ｂ）との間の全ビーム行路（ｇｓ）は、前記第３光学装置（Ｏ）の前記正の焦点距離（ｆＯ）と前記全コリメート焦点距離（ｆＫ）との和の２倍よりも小さく、
前記第２光学装置（Ｌ２）の前記画像側主面と前記第３光学装置（Ｏ）の前記対象物側主面との間の前記平均ビーム行路（ｄ２）は、
ｆ２＋０．７５×ｆ０ ＜ｄ２＜ｆ２＋１．２５×ｆ０、
又は、前記第２光学装置（Ｌ２）の前記負の焦点距離（ｆ２）と前記第３光学装置（Ｏ）の前記正の焦点距離（ｆＯ）との和にほぼ等しい
ことを特徴とするレーザ加工用システム。

【請求項2】

前記第１光学装置（Ｌ１）は、前記ビーム伝搬方向（Ｒ）に固定されることを特徴とする請求項１に記載のシステム。

【請求項3】

前記ビーム（Ｐ）を前記ビーム伝搬方向（Ｒ）から他の方向に偏向させるビーム偏向ユニット（ＡＥ）と、
前記調整素子（Ａ２）及び前記ビーム偏向ユニット（ＡＥ）を制御することで、加工される材料（Ｍ）の表面に対する前記焦点（Ｆ）の位置を所定値に調整できる制御器（Ｓ）と、
を更に備えることを特徴とする請求項１又は２に記載のシステム。

【請求項4】

前記第１光学装置（Ｌ１）の前記正の焦点距離（ｆ１）にほぼ対応する正の焦点距離（ｆ４）を有する第４光学装置（Ｌ４）と、
前記第２光学装置（Ｌ２）の前記負の焦点距離（ｆ２）にほぼ対応する負の焦点距離（ｆ５）を有する第５光学装置（Ｌ５）と、
を更に備え、
前記第１光学装置（Ｌ１）及び前記第２光学装置（Ｌ２）は、加工ビーム（ＢＳ）が通過するように構成され、
前記第４光学装置（Ｌ４）及び前記第５光学装置（Ｌ５）は、観察ビーム（ＢＥ）が通過するように構成され、
前記第４光学装置（Ｌ４）は、前記第１光学装置（Ｌ１）に結びつけられ、
前記第５光学装置（Ｌ５）の移動は、前記第２光学装置（Ｌ２）の移動に結びつけられる
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のシステム。

【請求項5】

全コリメート焦点距離（ｆＫ）を有しており、発散ビーム（Ｄ）用のビーム供給源（Ｚ）と、正の焦点距離（ｆ１）を有する第１光学装置（Ｌ１）と、負の焦点距離（ｆ２）を有する第２光学装置（Ｌ２）と、を備えて構成されており、前記発散ビーム（Ｄ）が、先ず前記第１光学装置（Ｌ１）を通過し、その後、前記第２光学装置（Ｌ２）を通過して、前記第２光学装置（Ｌ２）から少なくとも実質的コリメート状態で離れる、コリメート光学系（Ｋ）と、
正の焦点距離（ｆＯ）を有する第３光学装置（Ｏ）であって、前記コリメート光学系（Ｋ）の下流側に配置され、前記コリメート光学系（Ｋ）から少なくとも実質的コリメート状態で離れる前記ビーム（Ｐ）を焦点（Ｆ）に合わせる第３光学装置（Ｏ）と、
前記第１光学装置（Ｌ１）をビーム伝搬方向（Ｒ）に沿って移動させる他の調整素子（Ａ１）と、
前記第２光学装置（Ｌ２）を前記ビーム伝搬方向（Ｒ）に沿って移動させる調整素子（Ａ２）と、
を備え、
前記他の調整素子（Ａ１）及び前記調整素子（Ａ２）は、前記第１光学装置（Ｌ１）及び前記第２光学装置（Ｌ２）を互いに独立して移動でき、
前記ビーム供給源（Ｚ）と前記第３光学装置（Ｏ）の画像側焦点面（Ｂ）との間の全ビーム行路（ｇｓ）は、前記第３光学装置（Ｏ）の前記正の焦点距離（ｆＯ）と前記全コリメート焦点距離（ｆＫ）との和の２倍よりも小さく、
前記第３光学装置（Ｏ）は、前記ビーム供給源（Ｚ）に対して一定の距離を有している
ことを特徴とするレーザ加工用システム。

【請求項6】

平均ビーム行路（ｄ２）は、前記第２光学装置（Ｌ２）の画像側主面と前記第３光学装置（Ｏ）の対象物側主面との間で、前記調整素子（Ａ２）を用いて前記第２光学装置（Ｌ２）を移動させる際に前記焦点（Ｆ）のサイズ（ｇ）が実質的に一定であるように、望遠鏡状の光学配置を形成するように配列された前記第２光学装置（Ｌ２）及び前記第３光学装置（Ｏ）によって選択されることを特徴とする請求項５に記載のシステム。

【請求項7】

前記焦点（Ｆ）のサイズ（ｇ）及び前記ビーム伝搬方向（Ｒ）に沿った前記焦点（Ｆ）の位置（ｐ）を、前記第１光学装置（Ｌ１）及び前記第２光学装置（Ｌ２）の移動によって互いに独立して選択可能な所定値に調整するように、前記他の調整素子（Ａ１）及び前記調整素子（Ａ２）を制御する制御器（Ｓ）を更に備え、
前記焦点（Ｆ）の前記サイズ（ｇ）は、前記第１光学装置（Ｌ１）を移動させることにより実質的に調整され、
前記ビーム伝搬方向（Ｒ）に沿った前記焦点（Ｆ）の前記位置（ｐ）は、前記第２光学装置（Ｌ２）を移動させることにより実質的に調整され、
前記第１光学装置（Ｌ１）の前記移動による前記ビーム伝搬方向（Ｒ）に沿った前記焦点（Ｆ）の前記位置（ｐ）の変化、及び前記第２光学装置（Ｌ２）の前記移動による前記焦点（Ｆ）の前記サイズ（ｇ）の変化の少なくとも一方が、前記所定値を調整するために考慮される
ことを特徴とする請求項５又は６に記載のシステム。

【請求項8】

前記焦点（Ｆ）の前記位置（ｐ）の変化と前記サイズ（ｇ）の変化のうちの少なくとも一方は、
前記ビーム伝搬方向（Ｒ）に沿った前記第１光学装置（Ｌ１）及び前記第２光学装置（Ｌ２）の位置に応じて、前記焦点（Ｆ）の前記位置（ｐ）及び前記サイズ（ｇ）の算出又は測定に基づく参照制御データを格納することと、
前記焦点（Ｆ）の前記位置（ｐ）及び前記サイズ（ｇ）に対する前記所定値を調整するために、前記格納された参照制御データを用いて、前記ビーム伝搬方向（Ｒ）に沿った前記第１光学装置（Ｌ１）及び前記第２光学装置（Ｌ２）の必要な位置を決定することと、
により認識されることを特徴とする請求項７に記載のシステム。

【請求項9】

前記ビーム（Ｐ）を前記ビーム伝搬方向（Ｒ）から他の方向に偏向させるビーム偏向ユニット（ＡＥ）を更に備え、
前記制御器（Ｓ）は、前記他の調整素子（Ａ１）、前記調整素子（Ａ２）、及び前記ビーム偏向ユニット（ＡＥ）を制御することで、前記焦点（Ｆ）の前記サイズ（ｇ）と、加工される材料（Ｍ）の表面に対する前記焦点（Ｆ）の前記位置（ｐ）とを、所定値に調整するように構成される
ことを特徴とする請求項７又は８に記載のシステム。

【請求項10】

前記第１光学装置（Ｌ１）の前記正の焦点距離（ｆ１）にほぼ対応する正の焦点距離（ｆ４）を有する第４光学装置（Ｌ４）と、
前記第２光学装置（Ｌ２）の前記負の焦点距離（ｆ２）にほぼ対応する負の焦点距離（ｆ５）を有する第５光学装置（Ｌ５）と、
を更に備え、
前記第１光学装置（Ｌ１）及び前記第２光学装置（Ｌ２）は、加工ビーム（ＢＳ）が通過するように構成され、
前記第４光学装置（Ｌ４）及び前記第５光学装置（Ｌ５）は、観察ビーム（ＢＥ）が通過するように構成され、
前記第４光学装置（Ｌ４）の移動は、前記第１光学装置（Ｌ１）の移動に結びつけられ、
前記第５光学装置（Ｌ５）の移動は、前記第２光学装置（Ｌ２）の移動に結びつけられる
ことを特徴とする請求項５から９のいずれか一項に記載のシステム。

【請求項11】

前記他の調整素子（Ａ１）、及び前記調整素子（Ａ２）は、リニアドライブであり、特にダイレクトドライブであることを特徴とする請求項５から１０のいずれか一項に記載のシステム。

【請求項12】

前記ビーム供給源（Ｚ）と前記第１光学装置（Ｌ１）の対象物側主面との間の距離（ｄ１）に対する前記第１光学装置（Ｌ１）の前記正の焦点距離（ｆ１）の比率は、０．２５から０．７５の間であることを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項に記載のシステム。

【請求項13】

前記第１光学装置（Ｌ１）は、入射ビーム（Ｄ）の角度が出射ビーム（Ａ）の角度に等しくなるように配置されることを特徴とする請求項１から１２のいずれか一項に記載のシステム。

【請求項14】

前記ビーム供給源（Ｚ）は、発散レーザ放射を出射する光ファイバの一端に接続されることを特徴とする請求項１から１３のいずれか一項に記載のシステム。

【請求項15】

前記ビーム偏向ユニット（ＡＥ）は、前記ビーム伝搬方向（Ｒ）で前記第３光学装置（Ｏ）の下流側に配置され、
又は、
前記ビーム偏向ユニット（ＡＥ）は、前記ビーム伝搬方向（Ｒ）で前記第２光学装置（Ｌ２）と前記第３光学装置（Ｏ）との間に配置される
ことを特徴とする請求項３又は９に記載のシステム。

【請求項16】

レーザ加工用レーザビームのビーム伝搬方向（Ｒ）に沿って、焦点（Ｆ）のサイズ（ｇ）と位置（ｐ）を調整する方法であって、
発散ビーム（Ｄ）の提供と、
前記発散ビーム（Ｄ）の、正の焦点距離（ｆ１）を有する第１光学装置（Ｌ１）への供給と、
前記正の焦点距離（ｆ１）を有する前記第１光学装置（Ｌ１）を通過したビーム（Ａ）の、負の焦点距離（ｆ２）を有する第２光学装置（Ｌ２）への供給と、
により、全コリメート焦点距離（ｆＫ）を有する実質的コリメートビーム（Ｐ）を生成する工程であって、前記発散ビーム（Ｄ）、前記第１光学装置（Ｌ１）、及び前記第２光学装置（Ｌ２）は、前記第２光学装置（Ｌ２）を通過したビーム（Ｐ）が実質的にコリメートされるように構成且つ配列されている工程と、
前記実質的コリメートビーム（Ｐ）の第３光学装置（Ｏ）への供給により前記焦点（Ｆ）を生成する工程であって、前記発散ビーム（Ｄ）のビーム供給源（Ｚ）と前記第３光学装置（Ｏ）の画像側焦点面（Ｂ）との間の全ビーム行路（ｇｓ）は、前記第３光学装置（Ｏ）の前記正の焦点距離（ｆＯ）と前記全コリメート焦点距離（ｆＫ）との和の２倍よりも小さい工程と、
前記焦点（Ｆ）の前記サイズ（ｇ）及び前記ビーム伝搬方向（Ｒ）に沿った前記焦点（Ｆ）の前記位置（ｐ）を、互いに独立して選択可能な所定値に調整できるように、前記第１光学装置（Ｌ１）及び前記第２光学装置（Ｌ２）を移動させる工程であって、
前記焦点（Ｆ）の前記サイズ（ｇ）は、前記ビーム伝搬方向（Ｒ）に沿って前記第１光学装置（Ｌ１）を移動させることにより実質的に調整され、
前記ビーム伝搬方向（Ｒ）に沿った前記焦点（Ｆ）の前記位置（ｐ）は、前記ビーム伝搬方向（Ｒ）に沿って前記第２光学装置（Ｌ２）を移動させることにより実質的に調整される工程と、
前記第１光学装置（Ｌ１）の前記移動による前記ビーム伝搬方向（Ｒ）に沿った前記焦点（Ｆ）の前記位置（ｐ）の変化と、
前記第２光学装置（Ｌ２）の前記移動による前記焦点（Ｆ）の前記サイズ（ｇ）の変化と、
のうちの少なくとも一方を、前記所定値を調整するために考慮する工程と、
を備えることを特徴とする方法。

【請求項17】

前記方法は、前記ビーム（Ｐ）を、前記ビーム伝搬方向（Ｒ）から、該ビーム伝搬方向（Ｒ）以外の方向に偏向させる工程を更に備え、
前記第１光学装置（Ｌ１）及び前記第２光学装置（Ｌ２）を移動させる工程、並びに前記ビームを偏向させる工程は、前記焦点（Ｆ）の前記サイズ（ｇ）と、加工される材料（Ｍ）の表面に対する前記焦点（Ｆ）の前記位置（ｐ）とを、所定値に調整するために、調和的且つ同時に実行される
ことを特徴とする請求項１６に記載の方法。

【請求項18】

前記第３光学装置（Ｏ）と前記発散ビーム（Ｄ）用の供給源（Ｚ）とは、互いに対して一定距離（ｄ３）で配列されることを特徴とする請求項１６又は１７に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、レーザ加工用システム、並びにレーザ加工用レーザビームのビーム伝播方向に沿った焦点のサイズ及び位置を調整する方法の技術分野に関する。

【背景技術】

【0002】

レーザは、例えば切断及び溶接用等の、材料加工用に大規模に用いられている。このため、レーザビームを被加工物上で通過させなければならない。これは、加工ヘッドを被加工物に対して移動させることで行ってよい。この点で、移動速度ひいては加工速度も、加工ヘッドの質量又は被加工物の質量によって制限される。例えば回転可能ミラー等の可動光偏向ユニットを有する加工ヘッドを用いることで、より高速の加工速度が達成されよう。これにより、レーザビームを被加工物上で通過させる。この種のシステムは、走査システムと称される。

【0003】

この種の走査システムは、後に粗動位置合わせを行うロボットにより、誘導されてもよい。明らかにロボットよりも動的である走査システムは、焦点の高速且つ高精度な微動位置決めを行う。

【0004】

この種の走査システムは、焦点の位置及びサイズが、加工中、完全制御下であることを必要とする。この点で、駆動焦点位置とは無関係に、走査システムの全作動領域にわたって、例えばその直径により与えられる、例えば焦点のサイズが一定であることが望ましい。更に、加工要件に応じて、特に焦点サイズを変化できることが望ましい。

【0005】

加えて、この種の走査システムでは、外径をできる限り小さくするという要件がある。例えば、近づき難い場所でレーザ加工を行うためには、ロボット制御走査システムを用いて、複雑な形状の被加工物に浸漬することが望ましい。これは、走査システムの構造がより小さくなると、更に容易である。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

本発明は、高度に動的な方法で、焦点位置及び焦点サイズの独立調整を可能とする、小型構造形態を有するユニットを提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明は、全コリメート焦点距離（ｆＫ）を有しており、発散ビーム（Ｄ）用のビーム供給源（Ｚ）と、正の焦点距離（ｆ１）を有する第１光学装置（Ｌ１）と、負の焦点距離（ｆ２）を有する第２光学装置（Ｌ２）と、を備えて構成されており、前記発散ビーム（Ｄ）が、先ず前記第１光学装置（Ｌ１）を通過し、その後、前記第２光学装置（Ｌ２）を通過して、前記第２光学装置（Ｌ２）からコリメート状態で離れる、コリメート光学系（Ｋ）と、正の焦点距離（ｆＯ）を有する第３光学装置（Ｏ）であって、前記コリメート光学系（Ｋ）の下流側に配置され、前記コリメート光学系（Ｋ）からコリメート状態で離れる前記ビーム（Ｐ）を焦点（Ｆ）に合わせる第３光学装置（Ｏ）と、前記第２光学装置（Ｌ２）をビーム伝搬方向（Ｒ）に沿って移動させる調整素子（Ａ）と、を備え、前記第２光学装置（Ｌ２）の画像側主面と前記第３光学装置（Ｏ）の対象物側主面との間の平均ビーム行路（ｄ２）は、前記第２光学装置（Ｌ２）及び前記第３光学装置（Ｏ）が望遠鏡状の光学配置を形成するように配列されることによって、前記調整素子（Ａ２）を用いて前記第２光学装置（Ｌ２）を移動させる際に前記焦点（Ｆ）のサイズ（ｇ）が実質的に一定であるように選択され、前記ビーム供給源（Ｚ）と前記第３光学装置（Ｏ）の画像側焦点面（Ｂ）との間の全ビーム行路（ｇｓ）は、前記第３光学装置（Ｏ）の前記正の焦点距離（ｆＯ）と前記全コリメート焦点距離（ｆＫ）との和の２倍よりも小さいことを特徴とするレーザ加工用システムを提供する。

【0008】

一の実施形態によれば、前記第２光学装置（Ｌ２）の前記画像側主面と前記第３光学装置（Ｏ）の前記対象物側主面との間の前記平均ビーム行路（ｄ２）は、ｆ２＋０．７５×ｆ０ ＜ｄ２＜ｆ２＋１．２５×ｆ０、又は、前記第２光学装置（Ｌ２）の前記負の焦点距離（ｆ２）と前記第３光学装置（Ｏ）の前記正の焦点距離（ｆＯ）との和にほぼ等しい、という条件を満たす。

【0009】

更なる実施形態によれば、前記第１光学装置（Ｌ１）は、前記ビーム伝搬方向（Ｒ）に固定される。
更なる実施形態によれば、前記ビーム（Ｐ）を前記ビーム伝搬方向（Ｒ）から他の方向に偏向させるビーム偏向ユニット（ＡＥ）と、前記調整素子（Ａ２）及び前記ビーム偏向ユニット（ＡＥ）を制御することで、加工される材料（Ｍ）の表面に対する前記焦点（Ｆ）の位置を所定値に調整できる制御器（Ｓ）と、を更に備える。

【0010】

更なる実施形態によれば、前記第１光学装置（Ｌ１）の前記正の焦点距離（ｆ１）にほぼ対応する正の焦点距離（ｆ４）を有する第４光学装置（Ｌ４）と、前記第２光学装置（Ｌ２）の前記負の焦点距離（ｆ２）にほぼ対応する負の焦点距離（ｆ５）を有する第５光学装置（Ｌ５）と、を更に備え、
前記第１光学装置（Ｌ１）及び前記第２光学装置（Ｌ２）は、加工ビーム（ＢＳ）が通過するように構成され、前記第４光学装置（Ｌ４）及び前記第５光学装置（Ｌ５）は、観察ビーム（ＢＥ）が通過するように構成され、前記第４光学装置（Ｌ４）は、前記第１光学装置（Ｌ１）に結びつけられ、前記第５光学装置（Ｌ５）の移動は、前記２光学装置（Ｌ２）の移動に結びつけられる。

【0011】

本発明は、更に、全コリメート焦点距離（ｆＫ）を有しており、発散ビーム（Ｄ）用のビーム供給源（Ｚ）と、正の焦点距離（ｆ１）を有する第１光学装置（Ｌ１）と、負の焦点距離（ｆ２）を有する第２光学装置（Ｌ２）と、を備えて構成されており、前記発散ビーム（Ｄ）が、先ず前記第１光学装置（Ｌ１）を通過し、その後、前記第２光学装置（Ｌ２）を通過して、前記第２光学装置（Ｌ２）からコリメート状態で離れる、コリメート光学系（Ｋ）と、正の焦点距離（ｆＯ）を有する第３光学装置（Ｏ）であって、前記コリメート光学系（Ｋ）の下流側に配置され、前記コリメート光学系（Ｋ）からコリメート状態で離れる前記ビーム（Ｐ）を焦点（Ｆ）に合わせる第３光学装置（Ｏ）と、前記第１光学装置（Ｌ１）をビーム伝搬方向（Ｒ）に沿って移動させる他の調整素子（Ａ１）と、前記第２光学装置（Ｌ２）を前記ビーム伝搬方向（Ｒ）に沿って移動させる調整素子（Ａ２）と、を備え、前記他の調整素子（Ａ１）及び前記調整素子（Ａ２）は、前記第１光学装置（Ｌ１）及び前記第２光学装置（Ｌ２）を互いに独立して移動でき、前記ビーム供給源（Ｚ）と前記第３光学装置（Ｏ）の画像側焦点面（Ｂ）との間の全ビーム行路（ｇｓ）は、前記第３光学装置（Ｏ）の前記正の焦点距離（ｆＯ）と前記全コリメート焦点距離（ｆＫ）との和の２倍よりも小さいことを特徴とするレーザ加工用システムを提供する。

【0012】

更なる実施形態によれば、平均ビーム行路（ｄ２）は、前記第２光学装置（Ｌ２）の画像側主面と前記第３光学装置（Ｏ）の対象物側主面との間で、前記調整素子（Ａ２）を用いて前記第２光学装置（Ｌ２）を移動させる際に前記焦点（Ｆ）のサイズ（ｇ）が実質的に一定であるように、望遠鏡状の光学配置を形成するように配列された前記第２光学装置（Ｌ２）及び前記第３光学装置（Ｏ）によって選択される。
更なる実施形態によれば、前記焦点（Ｆ）のサイズ（ｇ）及び前記ビーム伝搬方向（Ｒ）に沿った前記焦点（Ｆ）の位置（ｐ）を、前記第１光学装置（Ｌ１）及び前記第２光学装置（Ｌ２）の移動によって互いに独立して選択可能な所定値に調整するように、前記他の調整素子（Ａ１）及び前記調整素子（Ａ２）を制御する制御器（Ｓ）を更に備え、前記焦点（Ｆ）の前記サイズ（ｇ）は、前記第１光学装置（Ｌ１）を移動させることにより実質的に調整され、前記ビーム伝搬方向（Ｒ）に沿った前記焦点（Ｆ）の前記位置（ｐ）は、前記第２光学装置（Ｌ２）を移動させることにより実質的に調整され、前記第１光学装置（Ｌ１）の前記移動による前記ビーム伝搬方向（Ｒ）に沿った前記焦点（Ｆ）の前記位置（ｐ）の変化、及び前記第２光学装置（Ｌ２）の前記移動による前記焦点（Ｆ）の前記サイズ（ｇ）の変化の少なくとも一方が、前記所定値を調整するために考慮される。

【0013】

更なる実施形態によれば、前記焦点（Ｆ）の前記位置（ｐ）の変化と前記サイズ（ｇ）の変化のうちの少なくとも一方は、前記ビーム伝搬方向（Ｒ）に沿った前記第１光学装置（Ｌ１）及び前記第２光学装置（Ｌ２）の位置に応じて、前記焦点（Ｆ）の前記位置（ｐ）及び前記サイズ（ｇ）の算出又は測定に基づく参照制御データを格納することと、前記焦点（Ｆ）の前記位置（ｐ）及び前記サイズ（ｇ）に対する前記所定値を調整するために、前記格納された参照制御データを用いて、前記ビーム伝搬方向（Ｒ）に沿った前記第１光学装置（Ｌ１）及び前記第２光学装置（Ｌ２）の必要な位置を決定することと、により認識される。

【0014】

更なる実施形態によれば、前記ビーム（Ｐ）を前記ビーム伝搬方向（Ｒ）から他の方向に偏向させるビーム偏向ユニット（ＡＥ）を更に備え、前記制御器（Ｓ）は、前記他の調整素子（Ａ１）、前記調整素子（Ａ２）、及び前記ビーム偏向ユニット（ＡＥ）を制御することで、前記焦点（Ｆ）の前記サイズ（ｇ）と、加工される材料（Ｍ）の表面に対する前記焦点（Ｆ）の前記位置（ｐ）とを、所定値に調整するように構成される。

【0015】

更なる実施形態によれば、 前記第１光学装置（Ｌ１）の前記正の焦点距離（ｆ１）にほぼ対応する正の焦点距離（ｆ４）を有する第４光学装置（Ｌ４）と、前記第２光学装置（Ｌ２）の前記負の焦点距離（ｆ２）にほぼ対応する負の焦点距離（ｆ５）を有する第５光学装置（Ｌ５）と、を更に備え、
前記第１光学装置（Ｌ１）及び前記第２光学装置（Ｌ２）は、加工ビーム（ＢＳ）が通過するように構成され、前記第４光学装置（Ｌ４）及び前記第５光学装置（Ｌ５）は、観察ビーム（ＢＥ）が通過するように構成され、前記第４光学装置（Ｌ４）の移動は、前記第１光学装置（Ｌ１）の移動に結びつけられ、前記第５光学装置（Ｌ５）の移動は、前記２光学装置（Ｌ２）の移動に結びつけられる。

【0016】

更なる実施形態によれば、前記ビーム供給源（Ｚ）は、発散レーザ放射を出射する光ファイバの一端に接続される。

【0017】

更なる実施形態によれば、前記ビーム供給源（Ｚ）と前記第１光学装置（Ｌ１）の対象物側主面との間の距離（ｄ１）に対する前記第１光学装置（Ｌ１）の前記正の焦点距離（ｆ１）の比率は、０．２５から０．７５の間である。

【0018】

更なる実施形態によれば、前記第１光学装置（Ｌ１）は、入射ビーム（Ｄ）の角度が出射ビーム（Ａ）の角度に等しくなるように配置される。

【0019】

更なる実施形態によれば、前記発散ビーム（Ｄ）の半角発散（ｈｗ）の湾曲部は、０．０５から０．１５の範囲であり、前記第１光学装置（Ｌ１）の前記正の焦点距離（ｆ１）は、５５ｍｍから１２０ｍｍの範囲であり、前記第２光学装置（Ｌ２）の前記負の焦点距離（ｆ２）は、−７５ｍｍから−１６０ｍｍの範囲であり、前記全コリメート焦点距離（ｆＫ）は、６０ｍｍから３００ｍｍの範囲であり、前記ビーム（Ｐ）の直径（ｄ）は、前記コリメート光学系（Ｋ）を通過後には、１４ｍｍから５０ｍｍの範囲であり、前記第３光学群（Ｏ）の前記正の焦点距離（ｆＯ）は、３００ｍｍから８００ｍｍの範囲である。

【0020】

一の実施形態によれば、前記第３光学装置（Ｏ）は、前記ビーム供給源（Ｚ）に対して一定の距離を有している。

【0021】

更なる実施形態によれば、もしあれば前記他の調整素子（Ａ１）、及び前記調整素子（Ａ２）は、リニアドライブであり、特にダイレクトドライブである。

【0022】

更なる実施形態によれば、前記ビーム偏向ユニット（ＡＥ）は、前記ビーム伝搬方向（Ｒ）で前記第３光学装置（Ｏ）の下流側に配置され、又は、前記ビーム偏向ユニット（ＡＥ）は、前記ビーム伝搬方向（Ｒ）で前記第２光学装置（Ｌ２）と前記第３光学装置（Ｏ）との間に配置される。

【0023】

本発明は、更に、レーザ加工用レーザビームのビーム伝搬方向（Ｒ）に沿って、焦点（Ｆ）のサイズ（ｇ）と位置（ｐ）を調整する方法であって、発散ビーム（Ｄ）の提供と、前記発散ビーム（Ｄ）の、正の焦点距離（ｆ１）を有する第１光学装置（Ｌ１）への供給と、前記正の焦点距離（ｆ１）を有する前記第１光学装置（Ｌ１）を通過したビーム（Ａ）の、負の焦点距離（ｆ２）を有する第２光学装置（Ｌ２）への供給と、により、全コリメート焦点距離（ｆＫ）を有する実質的コリメートビーム（Ｐ）を生成する工程であって、前記発散ビーム（Ｄ）、前記第１光学装置（Ｌ１）、及び前記第２光学装置（Ｌ２）は、前記第２光学装置（Ｌ２）を通過したビーム（Ｐ）が実質的にコリメートされるように構成且つ配列されている工程と、前記実質的コリメートビーム（Ｐ）の第３光学装置（Ｏ）への供給により前記焦点（Ｆ）を生成する工程であって、前記発散ビーム（Ｄ）のビーム供給源（Ｚ）と前記第３光学装置（Ｏ）の画像側焦点面（Ｂ）との間の全ビーム行路（ｇｓ）は、前記第３光学装置（Ｏ）の前記正の焦点距離（ｆＯ）と前記全コリメート焦点距離（ｆＫ）との和の２倍よりも小さい工程と、前記焦点（Ｆ）の前記サイズ（ｇ）及び前記ビーム伝搬方向（Ｒ）に沿った前記焦点（Ｆ）の前記位置（ｐ）を、互いに独立して選択可能な所定値に調整できるように、前記第１光学装置（Ｌ１）及び前記第２光学装置（Ｌ２）を移動させる工程であって、前記焦点（Ｆ）の前記サイズ（ｇ）は、前記ビーム伝搬方向（Ｒ）に沿って前記第１光学装置（Ｌ１）を移動させることにより実質的に調整され、前記ビーム伝搬方向（Ｒ）に沿った前記焦点（Ｆ）の前記位置（ｐ）は、前記ビーム伝搬方向（Ｒ）に沿って前記第２光学装置（Ｌ２）を移動させることにより実質的に調整される工程と、前記第１光学装置（Ｌ１）の前記移動による前記ビーム伝搬方向（Ｒ）に沿った前記焦点（Ｆ）の前記位置（ｐ）の変化と、前記第２光学装置（Ｌ２）の前記移動による前記焦点（Ｆ）の前記サイズ（ｇ）の変化と、のうちの少なくとも一方を、前記所定値を調整するために考慮する工程と、を備えることを特徴とする方法を提供する。

【0024】

本発明の更なる実施形態によれば、前記方法は、前記ビーム（Ｐ）を、前記ビーム伝搬方向（Ｒ）から、該ビーム伝搬方向（Ｒ）以外の方向に偏向させる工程を更に備え、前記第１光学装置（Ｌ１）及び前記第２光学装置（Ｌ２）を移動させる工程、並びに前記ビームを偏向させる工程は、前記焦点（Ｆ）の前記サイズ（ｇ）と、加工される材料（Ｍ）の表面に対する前記焦点（Ｆ）の前記位置（ｐ）とを、所定値に調整するために、調和的且つ同時に実行される。

【0025】

本発明の一の実施形態によれば、前記第３光学装置（Ｏ）と前記発散ビーム（Ｄ）用の供給源（Ｚ）とは、互いに対して一定距離（ｄ３）で配列される。

【0026】

本発明の実施例について図面に示し、以下により詳細に説明する。

【図面の簡単な説明】

【0027】

【図1】レーザ加工システムの位置の実施例を示す図である。

【図2】焦点位置変位を図示する模範的構成を示す図である。

【図3】焦点サイズの変化を図示する模範的構成を示す図である。

【図4】レーザ加工システムの大きさを示す図である。

【図5】観察光学系を有するコリメート光学系を示す図である。

【図6】反射光学素子を有するコリメート光学系を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0028】

以下の詳細の説明では、本明細書に組み込まれ且つ例示により具体例を示す添付の図面を参照する。これに応じて本発明は実施できる。この点で、「上」、「下」、「前」、「後」等の文言は、図面の向きに関して用いられる。実施例における構成要素は、複数の異なる向きに配置されてよいので、異なる方向を示す用語は、例示として用いられており、決して限定的ではない。他の実施例が用いられてよく、本発明の保護の範囲から逸脱せずに構造又は論理変更が行われてよいことは理解されよう。ここに記載される各種の実施例は、特に指定がなければ、組み合わされてよいことは言うまでもない。よって、以下の詳細な説明は、限定的な意味で理解されるべきではなく、本発明の保護の範囲は添付の特許請求の範囲によって定義されよう。

【0029】

本明細書では、「接続され」、「取り付けられ」、又は「連結され」等の文言は、直接的及び間接的接続、直接的又は間接的取り付け、直接的又は間接的連結を説明するために用いられてよい。

【0030】

図面では、同じ又は類似の部材に、該当する場合は同じ参照符号が付与される。明快にするために、図面内の全ての要素に夫々の参照符号を付与しているとは限らない。これは、特に、他の要素と同一であるように図示された要素について当てはまる。よって、説明及び参照符号は、同じように図示された全ての要素について同様に当てはまる。左側から見た第１位置にある参照符号の文字（又は複数文字）は、参照符号が初めて現れた図面を表してよい。

【0031】

図１は、レーザ加工用システム１００の実施例を示す図である。これにより、材料（又は被加工物）Ｍは、レーザ源Ｌからくるレーザビームを用いて加工されてよい。この点で、レーザビームは、ビーム伝搬方向Ｒでレーザ源Ｌから焦点Ｆに伝搬する。材料Ｍに対する焦点Ｆの位置、及び焦点Ｆのサイズ（又は直径）は、調整されてよい。

【0032】

ビーム供給源Ｚは、半角発散角度ｈｗで発散的にレーザ放射を出射するように構成される。発射レーザ放射を提供するレーザ源Ｌは、ビーム供給源Ｚに連結されてよい。レーザ源Ｌは、例えばディスクレーザ又はファイバレーザに連結される、例えば光ファイバの一端であってよい。

【0033】

システム１００は、レーザ源Ｌから発散的に出射するビームＤを、コリメートビームＰにするコリメート光学系Ｋを備えてよい。コリメートビームＰは、実施的平行ビーム束である。文言「実施的平行」については、図２及び図３と関連して更に詳細に説明する。

【0034】

コリメート光学系Ｋは、発散ビームＤ用ビーム供給源Ｚと、正の焦点距離ｆ１を有する第１光学装置Ｌ１と、負の焦点距離ｆ２を有する第２光学装置Ｌ２と、を備えてよい。この点で、発散ビームＤは、入射ビームとして先ず第１光学装置Ｌ１を通過し、その後、出射ビームＡとして第２光学装置Ｌ２を通過する。第１光学装置Ｌ１は、入射ビームＤの角度が出射ビームＡの角度に等しくなるように配置されてよい。ビーム供給源Ｚと第１光学装置Ｌ１の対象物側主面との間の距離ｄ１に対する第１光学装置Ｌ１の正の焦点距離ｆ１の比率は、０．２５から０．７５の間であってよい（図４参照）。

【0035】

コリメート入力ビーム向けに設計され、且つ少なくとも三の光学装置を備えており、そのうちの少なくとも二の光学装置が移動される、レーザ焦点サイズを調整する焦点ズームシステムとは対照的に、二の光学装置Ｌ１、Ｌ２のみがこの場合に必要とされる。焦点Ｆの位置及びサイズは、図２及び図３に記載するように、互いに独立して制御可能な両光学装置Ｌ１、Ｌ２の移動によって制御されてよい。

【0036】

対象物Ｏ（以下第３光学装置Ｏと称する）は、レーザビームの焦点を合わせる。第３光学装置Ｏは、正の焦点距離ｆＯを有してよい。第３光学装置Ｏは、コリメート光学系Ｋの下流側にビーム伝搬方向Ｒで配置されてよい。コリメート光学系Ｋからコリメート状態で離れるビームＰを焦点Ｆに合わせてよい。この点で、焦点Ｆは、材料Ｍの表面上に又は表面から離れて形成されてよい。第３光学装置Ｏは、ビーム供給源Ｚに対して一定の距離を有してよい。言い換えれば、焦点Ｆのサイズ又は位置を調整するために、第３光学装置Ｏを移動させる必要はない。ビーム偏向により合焦時に光学素子が大きい必要があり、それに対応して高度に動的な調整が不可能である場合には、焦点のサイズ及び位置を変更させるために結像用（焦点調節用）対象物Ｏをずらさなければならない配置は、走査システムには不向きである。

【0037】

第１光学装置Ｌ１、第２光学装置Ｌ２、及び第３光学装置Ｏのうちの少なくとも一つは、単一レンズ又は数個のレンズを備えてよい。レンズは、その表面で透過的にレーザビームを屈折可能である。第１光学装置Ｌ１、第２光学装置Ｌ２、及び第３光学装置Ｏのうちの少なくとも一つは、一又は複数の非球面光学素子又は反射光学素子を備えてよい。非球面光学素子は、球面光学素子と比べて光学収差が低く、これにより、必要とされる光学素子の数は減少し、光学システムのパワー互換性は増加してよい。反射光学素子を有するコリメート光学系Ｋの実施例について、図６と関連して説明する。

【0038】

システム１００は、ビームＰを、ビーム伝搬方向Ｒから、該ビーム伝搬方向Ｒ以外の方向に偏向させるビーム偏向ユニットＡＥを備えてよい。ビーム偏向ユニットＡＥは、少なくとも一の偏向軸を備えてよく、これらの偏向軸は、通常、ビーム伝搬方向Ｒ（Ｚ方向）に垂直に、且つ互い（Ｘ方向、Ｙ方向）に垂直に配置される。よって、レーザビームは、材料Ｍの表面で、又はラインに沿って、例えば加工される輪郭（外形）に沿って偏向されてよい。ビーム偏向ユニットＡＥは、例えば、ガルバノメータドライブ（ガルバノメータスキャナ）によって移動される、一又は複数の、特に二の移動可能に支持されたミラーを備えてよい。この種のガルバノメータスキャナは、高度に動的であり、加工速度をできるだけ高速にする。

【0039】

ビーム偏向ユニットＡＥは、ビーム伝搬方向Ｒで第２光学装置Ｌ２と第３光学装置Ｏとの間に配置されてよい。しかしながら、ビーム偏向ユニットＡＥは、ビーム伝搬方向Ｒで第３光学装置Ｏの下流に配置されてもよい。加えて、ビームスプリッタ、ビーム形成要素等の他の構成要素が、ビーム行路に含まれてよい。

【0040】

システム１００は、第１光学装置Ｌ１をビーム伝搬方向Ｒに沿って移動させる第１調整素子Ａ１と、第２光学装置Ｌ２をビーム伝搬方向Ｒに沿って移動させる第２調整素子Ａ２とを備えてよい。第１調整素子Ａ１及び第２調整素子Ａ２は、第１光学装置Ｌ１及び第２光学装置Ｌ２を互いに独立して移動させてよい。第１調整素子Ａ１及び第２調整素子Ａ２は、リニアドライブであり、特にダイレクトドライブであってよい。ギヤバックラッシュ及び慣性質量は、ギア機構の省略の結果として減少し、第１光学装置Ｌ１及び第２光学装置Ｌ２を正確且つ迅速に移動させることができる。

【0041】

本明細書の関連部分及び図２及び図３に示すように、第１光学装置Ｌ１を移動させることにより焦点Ｆのサイズが実質的に調整され、第２光学装置Ｌ２を移動させることによりビーム伝搬方向Ｒに沿った焦点Ｆの位置が実質的に調整されるという事実により、レーザ放射の焦点サイズ及び焦点位置は、正確に且つ高度に動的に調整されてよい。

【0042】

システム１００は、第１調整素子Ａ１、第２調整素子Ａ２、及びビーム偏向ユニットＡＥを制御できる制御器Ｓを備えてよい。これにより、制御器Ｓは、焦点Ｆのサイズと、ビーム伝搬方向Ｒ（Ｚ方向）に沿った焦点Ｆの位置と、例えば垂直方向（Ｘ方向、Ｙ方向）の、ビーム伝搬方向Ｒからずれた少なくとも一の方向に沿った焦点の位置とが、対応の所定値に調整可能であるように、第１光学装置Ｌ１及び第２光学装置Ｌ２の移動、及びビーム偏向ユニットＡＥのビーム偏向を調和させることができる。加工される材料Ｍの表面に対する相対的な焦点位置（ｘ，ｙ，ｚ）及び焦点サイズｇは、よって、互いに独立して所定値に調整されてよい。

【0043】

図２は、配列例２１０、２２０、及び２３０を用いて、焦点Ｆの位置ｐがどのようにビーム伝搬方向Ｒにずれるかを示している。配列２１０は、平均焦点位置ｐ０を示し、配列２２０は、離れた焦点位置ｐ２を示し、配列２３０は、近い焦点位置ｐ１を示す。配列２１０、２２０、２３０は、ビーム供給源Ｚ、第１光学装置Ｌ１、第２光学装置Ｌ２、及び第３光学装置Ｏを備えてよい。例えば、焦点Ｆの位置ｐは、第３光学装置Ｏから測定されてよい。図２の左側に、配列２１０、２２０、及び２３０におけるビーム供給源Ｚでのレーザビームのサイズ／直径を、一の方向、例えばＸ方向に沿って示す。ビーム供給源Ｚでのレーザビームのサイズは、実質的に一定である。図２の右側に、焦点Ｆのサイズｇを、一の方向、例えばＸ方向に沿って示す。焦点Ｆのサイズｇは、第２光学装置Ｌ２と第３光学装置Ｏとの間のビーム行路が適宜に選択される場合（数式５に関する以下の説明を参照）、実質的に一定である。配列２１０、２２０、及び２３０は、図１のレーザ加工用システム１００に対応してよい。この点に関して、制御器Ｓ、第１調整素子Ａ１、第２調整素子Ａ２、及びビーム偏向ユニットＡＥは、明確にするために省略されている。

【0044】

焦点Ｆの位置ｐをビーム伝搬方向Ｒに変位させるために、第２光学装置Ｌ２は、ビーム伝搬方向Ｒに沿って変位されてよい。第２光学装置Ｌ２の変位又は移動は、両方向矢印により示される。第１光学装置Ｌ１は、通常、焦点Ｆの位置ｐを変化させるためには移動されない。

【0045】

配列２１０では、焦点Ｆは、位置ｐ０を有する。第２光学装置Ｌ２から離れるコリメートビームＰは、実質的に平行である。即ち、発散はゼロに近い。

【0046】

配列２２０では、第２光学装置Ｌ２は、配列２１０と比較して、第１光学装置Ｌ１に向かって変位された。コリメートビームＰは、配列２１０のコリメートビームＰと比較して、発散が僅かにある。その結果、焦点Ｆは、配列２１０での位置ｐ０よりも第３光学装置Ｏから更に離れた位置ｐ２にずれる。

【0047】

配列２３０では、第２光学装置Ｌ２は、配列２１０と比較して、第１光学装置Ｌ１よりも離れて変位された。コリメートビームＰは、配列２１０のコリメートビームＰと比較して、発散が僅かにある。その結果、焦点Ｆは、配列２１０での位置ｐ０よりも第３光学装置Ｏに近い位置ｐ１にずれる。

【0048】

コリメータ光学系Ｋと第３光学装置Ｏとの間の光路に応じて、焦点サイズｇは、第２光学装置Ｌ２が変位される際に変化してよい。この焦点サイズの変化を補正するために、第１光学装置Ｌ１の補償運動が僅かに行われてよい。

【0049】

図３は、配列例３１０、３２０、及び３３０を用いて、焦点Ｆの位置ｐがどのように変化するかを示している。この点で、配列３１０、３２０、及び３３０は、図２の配列２１０、２２０、及び２３０に対応してよく、再度説明は行わない。図３の右側に、焦点Ｆのサイズｇ０、ｇ１、及びｇ２を、一の方向、例えばＸ方向に沿って示す。配列３１０は、平均焦点サイズｇ０を示し、配列３２０は、小さい焦点サイズｇ１を示し、配列３３０は、大きい焦点サイズｇ２を示す。

【0050】

焦点Ｆのサイズｇを変化させるために、第１光学装置Ｌ１はビーム伝搬方向に沿って変位される。第１光学装置Ｌ１の変位又は移動は、両方向矢印により示される。第２光学装置Ｌ２は、通常、焦点Ｆのサイズｇを変化させるためには移動されない。第２光学装置Ｌ２から離れるコリメートビームＰは、実質的に平行である。即ち、発散はゼロに近い。第１光学装置Ｌ１の変位により、実質的に影像比の変化が生じ、よって、焦点サイズｇの変化が生じる。

【0051】

配列３１０では、焦点Ｆは平均焦点サイズｇ０を有する。

【0052】

配列３２０では、第１光学装置Ｌ１は、配列３１０と比較して、第２光学装置Ｌ２に向かって変位された。コリメートビームＰは、配列３１０のコリメートビームＰよりも直径ｄが大きい。その結果、焦点Ｆは、配列３１０の焦点Ｆのサイズｇ０よりも小さいサイズｇ１を有してよい。

【0053】

配列３３０では、第１光学装置Ｌ１は、配列３１０と比較して、第２光学装置Ｌ２よりも離れて変位された。コリメートビームＰは、配列３１０のコリメートビームＰと比較して、直径ｄが小さい。その結果、焦点Ｆは、配列３１０の焦点Ｆのサイズｇ０よりも大きいサイズｇ２を有してよい。

【0054】

第１光学装置Ｌ１が変位される際に、焦点Ｆの位置ｐは僅かに変化してよい。この焦点位置の変化を補償するために、第２光学装置Ｌ２の補償運動が僅かに行われてよい。

【0055】

図４において、既知の装置４１０を、本発明に係る例示的装置４２０と比較する。特に、考察されたレーザ加工用システムの寸法を示す。

【0056】

配列４１０は、発散ビームＤをビーム供給源ＺからコリメートビームＰに再形成する任意のコリメート光学系Ｋを備えてよい。簡単のため、コリメート光学系Ｋを線として描写する。配列４１０の本質的特徴は、ビーム伝搬方向Ｒでの焦点Ｆの位置ｐの変位を達成するために、コリメート光学系Ｋに含まれる光学素子が、ビーム供給源Ｚに対して一挙に移動されてよいことである。このために、コリメート光学系Ｋは、図面には考慮されていないアクチュエータ及び制御器に接続されてよい。

【0057】

コリメート光学系Ｋと第３光学装置Ｏとの間の平均距離ｄ０を適切に選択することにより、ビーム伝搬方向Ｒに沿った焦点の変位とは無関係に一定である焦点サイズｇを達成することができる。近軸近似では、これは、コリメート光学系Ｋと第３光学装置Ｏとの間の距離ｄ０が、コリメート光学系Ｋの焦点距離ｆＫ（コリメート焦点距離）と第３光学装置Ｏの焦点距離ｆＯとの和に等しい場合及びその場合のみである。即ち、
式１：ｄ０＝ｆＫ＋ｆＯ （近軸）
式１は、近軸条件に同等であり、これに従って、コリメート光学系Ｋ及び第３光学装置Ｏは、望遠鏡状の光学配置を形成する。被加工物にファイバ端を映すコリメート光学系Ｋ及び第３光学装置Ｏの配列では、ビーム供給源Ｚと第３光学装置Ｏの画像側焦点面Ｂとの間の全ビーム行路ｇｓは、近軸近似では、全コリメート焦点距離ｆＫと第３光学装置Ｏの正の焦点距離ｆＯとの和の２倍である。即ち、
式２：ｇｓ＝２×（ｆＫ＋ｆＯ） （近軸）
図１から図３に図示且つ記載されたコリメート光学系Ｋを用いると、レーザ加工システムの全ビーム行路ｇｓは、著しく短くなってよい（配列４２０を参照）。図示を簡単にするために、第１光学装置Ｌ１及び第２光学装置Ｌ２を、配列４２０において線として示す。第１光学装置Ｌ１は、ビーム供給源Ｚから離れる光束Ｄ用の結像（撮像）光学系としてみなされてよい。第２光学装置Ｌ２は、ビーム供給源Ｚ’に集束する光束用の仮想コリメートとして考えられてよい。ビーム伝搬方向Ｒでの焦点Ｆの位置ｐの変位を達成するために、配列４２０では、第２光学装置Ｌ２の移動で十分である。即ち、配列４１０の如く、全体としてコリメート光学系Ｋを移動させる必要はない。

【0058】

コリメート光学系Ｋと第３光学装置Ｏとの間の平均距離ｄ０を適切に選択することにより、配列４２０においても、配列４１０に関して上述したように、ビーム伝搬方向Ｒに沿った焦点の変位とは無関係に一定である焦点サイズｇを達成することができる。コリメート光学系Ｋの全てではなく、第２光学装置Ｌ２のみを配列４２０において移動させて焦点を変位させることより、式１は配列４２０に対して以下のように変化する。即ち、
式３：ｄ２＝ｆ２＋ｆＯ （近軸）
式３は、近軸条件に同等であり、これに従って、第２光学装置Ｌ２及び第３光学装置Ｏは、望遠鏡状の光学配置を形成する。配列４２０では、第２光学装置Ｌ２は、コリメート光学系Ｋと第３光学装置Ｏとの間の距離に関して、配列４１０での全コリメートの役割を果たす。

【0059】

全ビーム行路が配列４１０よりも配列４２０において著しく短くなる理由は、コリメート光学系Ｋでの第２光学装置Ｌ２の負の焦点距離ｆ２である。焦点距離ｆ２の負の符号により、コリメート光学系Ｋと第３光学装置Ｏとの間の距離ｄ２は、式３に係る配列４２０におけるｆＯよりも著しく短い。一方、距離ｄ２は、式１に係る配列４１０のｆＯよりも著しく長い。これに従い、全ビーム行路ｇｓは、配列４２０では、配列４１０と比較して著しく減少する。従って、ビーム供給源Ｚと第３光学装置Ｏの画像側焦点面Ｂとの間の全ビーム行路ｇｓは、第３光学装置Ｏの正の焦点距離ｆＯと全コリメート焦点距離ｆＫとの和の２倍よりも小さくてよい。

【0060】

これは近軸的に当てはまるのみならず、配列４２０において達成できる全ビーム行路の大幅な減少に基づいて、実際の非近軸光学装置も考慮される。即ち、
式４：ｇｓ＜２×（ｆＫ＋ｆＯ）
レーザ加工システムの第１実施例では、第１光学装置Ｌ１は、ビーム伝搬方向Ｒに固定（又は不動に）されてよい。言い換えれば、第１光学装置Ｌ１は、第１調整素子Ａ１を必要としない。制御器Ｓは、第２調整素子Ａ２及びビーム偏向ユニットＡＥを制御する必要があるのみであり、例えば加工される材料Ｍの表面に対する焦点Ｆの位置（ｘ，ｙ，ｚ）は、所定値に調整されてよい。

【0061】

第２光学装置Ｌ２が第２調整素子Ａ２により移動される際に、焦点Ｆのサイズｇは、上述の如く、コリメート光学系Ｋと第３光学装置Ｏとの間の平均ビーム行路ｄ２を注意深く選択することにより、実質的に一定に保持されてよい。これは、第２光学装置Ｌ２及び第３光学装置Ｏが望遠鏡状の光学配置を形成するように配列された場合である。

【0062】

実際の非近軸光学装置では、ｄ２は、第２光学装置Ｌ２の画像側主面と第３光学装置Ｏの対象物側主面との間のビーム行路として理解されるべきである。

【0063】

従って、例えば第２光学装置Ｌ２の画像側主面と第３光学装置Ｏの対象物側主面との間の平均ビーム行路ｄ２が、第２光学装置Ｌ２の負の焦点距離ｆ２と第３光学装置Ｏの正の焦点距離ｆＯとの和にほぼ等しい場合に、焦点の変位とは独立して焦点サイズが一定となる。即ち、
式５：ｄ２≒ｆ２＋ｆＯ
平均ビーム行路ｄ２に対して、レーザ加工用システムの焦点サイズの不変性に対する典型的要件に及ぶ対応領域も示されてよい。即ち、
式６：ｆ２＋０．７５×ｆＯ＜ｄ２＜ｆ２＋１．２５×ｆＯ
レーザ加工システムの第２実施例では、第１光学装置Ｌ１及び第２光学装置Ｌ２は、ビーム伝搬方向Ｒに可動であってよい。制御器Ｓは、第１調整素子Ａ１及び第２調整素子Ａ２を調和的に制御してよい。第１光学装置Ｌ１の移動によるビーム伝搬方向Ｒに沿った焦点Ｆの位置ｐの変化が、所定位置ｐを調整するために、この点において制御器Ｓにより考慮されてよい。ビーム伝搬方向Ｒに沿った第２光学装置Ｌ２の移動による焦点Ｆのサイズｇの変化も、所定サイズｇを調整するために、制御器Ｓにより考慮されてよい。故に、焦点の所望位置ｐ及びサイズｇを互いに独立して調整できる。

【0064】

焦点Ｆの位置ｐの変化及び／又はサイズｇの変化は、例えば以下のように考えられてよい。即ち、制御器Ｓは、ビーム伝搬方向Ｒに沿った第１光学装置Ｌ１及び第２光学装置Ｌ２の位置に応じて焦点Ｆの位置ｐ及びサイズｇを反映する、参照制御データにアクセスしてよい。参照制御データは、焦点Ｆの位置ｐ及びサイズｇから、例えばレーザ加工システムの光学シミュレーションによる算出により、又は例えばレーザ加工システムの動作前又は動作中における測定により、決定されてよい。参照制御データは、例えば制御カーブ又はテーブルに格納されてよい。焦点Ｆの位置ｐ及びサイズｇの所望又は所定値を調整するために、参照制御データを用いて、ビーム伝搬方向Ｒに沿った第１光学装置Ｌ１及び第２光学装置Ｌ２の必要な位置が決定されてよい。状況に応じて、算出、シミュレーション又は測定参照制御データは、動作条件に調整されてよく、若しくは測定データ（キャリブレーション）により補正されてよい。

【0065】

第２光学装置Ｌ２の画像側主面と第３光学装置Ｏの対象物側主面との間の平均ビーム行路ｄ２は、第２実施例においても、第２光学装置Ｌ２及び第３光学装置Ｏを望遠鏡状の光学配置を形成するように配列することによって、調整素子Ａ２を用いて第２光学装置Ｌ２を移動させる際に焦点Ｆのサイズｇが実質的に一定であるように選択されてよい。しかしながら、この要件は、第２光学装置Ｌ２が移動される際の焦点Ｆのサイズｇの変化が、第１光学装置Ｌ１の移動により補償される場合には、有効ではない。従って、レーザ加工用システムは、第２実施例において、第１実施例よりも更に小型に設計されてよい。即ち、
式７：ｄ２＜ｆ２＋０．７５×ｆＯ
第２実施例では、制御器Ｓは、例えば加工される材料Ｍの表面に対する焦点Ｆの位置（ｘ，ｙ，ｚ）、及び焦点Ｆのサイズｇが所定値に調整されるように、第１光学装置Ｌ１、第２光学装置Ｌ２、及びビーム偏向ユニットＡＥを制御してよい。

【0066】

表１は、発散ビームＤの半角発散ｈｗの湾曲部、コリメート焦点距離ｆＫ、コリメート光学系Ｋを通過後のビームＰの直径ｄ、第１光学装置Ｌ１の正の焦点距離ｆ１、第２光学装置Ｌ２の負の焦点距離ｆ２、及び第３光学群Ｏの正の焦点距離ｆＯに対する各種の値及び範囲を示す。

【0067】

【表1】

図５は、観察光学系Ｃがコリメート光学系Ｋに光学的に平行に配置された配列５００を示す。観察光学系Ｃは、観察ビームＢＥが通過する第４光学装置Ｌ４と第５光学装置Ｌ５とを備えてよい。観察ビームＢＥは、直接ユーザの目で見てよく、若しくはセンサ又はカメラＳＥにより検出されてよい。コリメート光学系Ｋは、上述した複数のコリメート光学系Ｋのうちのいずれか一つであってよく、例えばビーム供給源Ｚ、第１光学装置Ｌ１及び第２光学装置Ｌ２を有する配列４２０からでもよい。加工ビームＢＳは、コリメート光学系Ｋを通過してよく、その加工ビームは、材料加工に適したレーザビームからなる。

【0068】

配列５００は、ビームスプリッタＳＴと、偏向ミラーＵとを備えてよい。ビームスプリッタＳＴは、コリメート光学系Ｋからの観察ビームＢＳを材料Ｍの方向に反射してよい。材料Ｍの方向からの光ビームＬＳは、ビームスプリッタＳＴを通過して偏向ミラーＵに当たってよい。偏向ミラーＵは、光ビームを観察ビームＢＥとして観察光学系Ｃの方向に反射してよい。これにより、観察光学系Ｃは、偏向ミラーＵ及びビームスプリッタＳＴと共に、加工ビームＢＳの焦点のサイズ及び位置を観察又は検出してよい。加えて、例えば被加工物Ｍのサイズ、形状、又は位置若しくは加工経過を検出するために、加工ビームＰＳを用いて加工された材料Ｍ又は被加工物を見てよい。

【0069】

第４光学装置Ｌ４は、第１光学装置Ｌ１の正の焦点距離ｆ１にほぼ対応する正の焦点距離ｆ４を備えてよい。第５光学装置Ｌ５は、第２光学装置Ｌ２の負の焦点距離ｆ２にほぼ対応する負の焦点距離ｆ５を備えてよい。これにより、観察ビームＢＥ及び加工ビームＢＳは、同じ位置、例えば材料Ｍ又は被加工物上に焦点が合ってよい。言い換えれば、観察ビームＢＥ及び加工ビームＢＳは、焦点が同じである。

【0070】

第１実施例では、第１光学装置Ｌ１は固定されてよい。即ち、加工ビームＢＳの方向に移動しない。第４光学装置Ｌ４は、第１光学装置Ｌ１に連結されてよく、同様に固定されてよい。第１実施例では、第２光学装置Ｌ２は移動されてよい。第５光学装置Ｌ５の移動は、第２光学装置Ｌ２の移動に結びつけられてよい。言い換えれば、第２光学装置Ｌ２と第５光学装置Ｌ５とは、一緒に移動してよい。よって、第２光学装置Ｌ２の移動によるコリメート光学系Ｋの光学特性の変化は、観察光学系Ｃに移されてよく、その焦点もそれに準じて変化する。よって、観察ビームＢＥ及び加工ビームＢＳは、第２光学装置Ｌ２が移動されても、焦点が同じままである。連結（結合）は、第２光学装置Ｌ２と第５光学装置Ｌ５との間の堅固な機械的結合によってなされてよい。

【0071】

第２実施例では、第１光学装置Ｌ１と第２光学装置Ｌ２との両方が移動されてよい。第４光学装置Ｌ４の移動は、第１光学装置Ｌ１の移動に結びつけられ、第５光学装置Ｌ５の移動は、第２光学装置Ｌ２の移動に結びつけられてよい。言い換えれば、第１光学装置Ｌ１と第４光学装置Ｌ４とは、一緒に移動してよく、第２光学装置Ｌ２と第５光学装置Ｌ５とは、一緒に移動してよい。よって、第１光学装置Ｌ１と、また場合により、第２光学装置Ｌ２との移動によるコリメート光学系Ｋの光学特性の変化は、観察光学系Ｃに移されてよく、その焦点もそれに準じて変化する。よって、観察ビームＢＥ及び加工ビームＢＳは、焦点位置及び焦点サイズが調整される際に、焦点が同じままである。連結（結合）は、夫々、第１光学装置Ｌ１と第４光学装置Ｌ４との間との堅固な機械的結合や、第２光学装置Ｌ２と第５光学装置Ｌ５との間の堅固な機械的結合によってなされてよい。

【0072】

連結された第１光学装置Ｌ１と第４光学装置Ｌ４との移動は、例えば、第１調整素子Ａ１によりなされてよい。連結された第２光学装置Ｌ２と第５光学装置Ｌ５との移動は、例えば、第２調整素子Ａ２によりなされてよい。移動方向は、両方向矢印により示される。

【0073】

図６は、ビーム供給源Ｚ、第１光学装置Ｌ１及び第２光学装置Ｌ２を有するコリメート光学系Ｋの実施例６００を示す。第１光学装置Ｌ１及び第２光学装置Ｌ２は、反射光学素子Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３及びＳ４を備えてよい。透過型光学素子と比較すると、反射光学素子は、冷却が容易であるという利点がある。これにより、光学システムのパワー互換性が増加し、高レーザパワーと互換性がある。反射光学素子Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３及びＳ４は、平面鏡、凸面鏡、又は凹面鏡等のミラーであってよい。これらのミラーは、金属ミラー、ダイクロイック誘電体ミラー（干渉ミラー）又はプリズムミラーであってよい。

【0074】

ビーム供給源Ｚは、第１光学装置Ｌ１に入射し、出射ビームＡとして離れる発散ビームＤを与えてよい。出射ビームＡは、第２光学装置Ｌ２に当たり、コリメートビームＰとして離れてよい。

【0075】

第１光学装置Ｌ１は、集束装置であってよい。即ち、正の焦点距離を備えてよい。言い換えれば、出射ビームＡは、入射ビームＤよりも発散が小さくよい。第１光学装置Ｌ１は、第１ミラーＳ１と、第２ミラーＳ２とを備えてよい。第１ミラーＳ１は平面鏡であってよく、第２ミラーＳ２は凹面鏡であってよく、又はその逆でもよい。第１光学装置Ｌ１は、例えば第１調整素子Ａ１によって、両方向矢印により示されるように、ビーム伝搬方向Ｒに沿って移動されてよい。

【0076】

第２光学装置Ｌ２は、発散装置であってよい。即ち、負の焦点距離を備えてよい。言い換えれば、出射ビームＰは、入射ビームＡよりも発散が大きくてよい。第２光学装置Ｌ２は、第３ミラーＳ３と、第４ミラーＳ４とを備えてよい。第３ミラーＳ３は平面鏡であってよく、第４ミラーＳ４は凹面鏡であってよく、又はその逆でもよい。第２光学装置Ｌ２は、例えば第２調整素子Ａ２によって、両方向矢印により示されるように、ビーム伝搬方向Ｒに沿って移動されてよい。

【0077】

図６に示す反射光学素子を有するコリメート光学系Ｋは、図１から図５に記載された実施例で用いられてよい。この点では、第３光学装置Ｌ３は、例えば反射光学素子によって生成される第１光学装置Ｌ１と同様に、正の焦点距離を有する集束装置であってよい。

【0078】

図１から図６に記載された装置は、一の方法を実行してよい。この方法は、レーザ加工用レーザビームのビーム伝搬方向Ｒに沿った焦点Ｆの位置ｐ及びサイズｇを調整してよい。この方法では、実質的コリメートビームＰは、全コリメート焦点距離ｆＫを有して生成されてよい。

【0079】

このために、正の焦点距離ｆ１を有する第１光学装置Ｌ１に供給される発散ビームＤが提供されてよい。正の焦点距離ｆ１を有する第１光学装置Ｌ１を通過したビームＡは、負の焦点距離ｆ２を有する第２光学装置Ｌ２に供給されてよい。発散ビームＤ、第１光学装置Ｌ１及び第２光学装置Ｌ２は、第２光学装置Ｌ２を通過したビームＰが実質的にコリメートされるように構成且つ配列されてよい。これにより、二の光学装置Ｌ１、Ｌ２のみを備えたコリメート光学系Ｋを作成できる。焦点Ｆは、実質的コリメートビームＰを第３光学装置Ｏに供給することにより生成されてよい。第３光学装置Ｏと発散ビームＤ用の供給源Ｚとは、互いに対して一定距離ｄ３で配列される。言い換えれば、第３光学装置Ｏは、焦点サイズ及び焦点位置を調整するために移動される必要はなく、これにより、調整素子とその制御は、第３光学装置Ｏに求められない。

【0080】

発散ビームＤ用の供給源Ｚと第３光学装置Ｏの画像側焦点面Ｂとの間の全ビーム行路ｇｓは、第３光学装置Ｏの正の焦点距離ｆＯと全コリメート焦点距離ｆＫとの和の２倍よりも小さくなるように選択されてよく、よって、非常に小型のレーザ加工用システムが生成される。

【0081】

第１光学装置Ｌ１及び第２光学装置Ｌ２は、焦点Ｆのサイズｇ及び焦点Ｆの位置ｐを、互いに独立して選択可能な所定値にビーム伝搬方向Ｒに沿って調整できるように、移動されてよい。

【0082】

焦点Ｆのサイズｇは、ビーム伝搬方向Ｒに沿って第１光学装置Ｌ１を移動させることにより実質的に調整されてよい。ビーム伝搬方向Ｒに沿った焦点Ｆの位置ｐは、ビーム伝搬方向Ｒに沿って第２光学装置Ｌ２を移動させることにより実質的に調整されてよい。

【0083】

第１光学装置Ｌ１の移動によるビーム伝搬方向Ｒに沿った焦点Ｆの位置ｐの変化は、所定値を調整する際に考慮されてよい。第２光学装置Ｌ２の移動による焦点Ｆのサイズｇの変化も、所定値を設定する際に考慮されてよい。この考慮は、例えば、事前のシミュレーションや夫々の変化の測定及び対応する補正値の決定により行われてよい。

【0084】

伝搬方向ＲからのビームＰは、例えばガルバノメータスキャナである、例えばビーム偏向ユニットＡＥによって、ビーム伝搬方向Ｒ以外の方向に偏向されてよい。第１光学装置Ｌ１の移動、第２光学装置Ｌ２の移動、及びビームの偏向は、焦点Ｆのサイズｇと、加工される材料Ｍの表面に対する焦点Ｆの位置ｐとを、所定値に調整するために、調和的且つ同時に実行されてよい。これにより、高度に動的なレーザ加工が実現されるであろう。

【符号の説明】

【0085】

１００…レーザ加工用システム
２１０…平均焦点位置を有する配置
２２０…離れた焦点位置を有する配置
２３０…近い焦点位置を有する配置
３１０…平均焦点サイズを有する配置
３２０…小さい焦点サイズを有する配置
３３０…大きい焦点サイズを有する配置
４１０…既存のレーザ加工システム
４２０…レーザ加工システム
５００…観察光学系を備えるレーザ加工システム
６００…反射素子を備えるコリメート光学系
Ａ…射出ビーム
Ａ１…他の調整素子／第１調整素子
Ａ２…調整素子／第２調整素子
ＡＥ…ビーム偏向ユニット
Ｂ…第３光学装置の画像側焦点面
ＢＥ…観察ビーム
ＢＳ…加工ビーム
Ｃ…観察光学系
Ｄ…発散ビーム／入射ビーム
Ｆ…焦点
Ｋ…コリメート光学系
Ｌ…レーザ源
Ｌ１…第１光学装置
Ｌ２…第２光学装置
Ｌ４…第４光学装置
Ｌ５…第５光学装置
ＬＳ…光ビーム
Ｍ…材料
Ｏ…第３光学装置
Ｐ…コリメートビーム
Ｒ…ビーム伝搬方向
Ｓ…制御器
Ｓ１…第１ミラー
Ｓ２…第２ミラー
Ｓ３…第３ミラー
Ｓ４…第４ミラー
ＳＥ…センサ／カメラ
ＳＴ…ビームスプリッタ
Ｕ…偏向ミラー
Ｚ…ビーム供給源／供給源
Ｚ’…ビーム供給源の虚像
ｄ０…コリメート光学系と第３光学装置との間の平均距離
ｄ…コリメートビームの直径
ｄ１…ビーム供給源と第１光学装置の対象物側主面との間の距離
ｄ２…第２光学装置の画像側主面と第３光学装置の対象物側主面との間の平均距離
ｄ３…ビーム供給源と第３光学装置との間の距離
ｆ１…第１光学装置の焦点距離
ｆ２…第２光学装置の焦点距離
ｆ４…第４光学装置の焦点距離
ｆ５…第５光学装置の焦点距離
ｆＫ…全コリメート焦点距離
ｆＯ…第３光学装置の焦点距離
ｇ、ｇ１、ｇ２…焦点サイズ
ｇｓ…全ビーム行路
ｈｗ…半分の発散角
ｐ、ｐ１、ｐ２…ビーム伝搬方向に沿った焦点位置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】